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1 Combinators and Combinatorial Logic
2 ===================================
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4 Lambda expressions that have no free variables are known as **combinators**. Here are some common ones:
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6 >       **I** is defined to be `\x x`
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8 >       **K** is defined to be `\x y. x`. That is, it throws away its
9            second argument. So `K x` is a constant function from any
10            (further) argument to `x`. ("K" for "constant".) Compare K
11            to our definition of `true`.
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13 >       **get-first** was our function for extracting the first element of an ordered pair: `\fst snd. fst`. Compare this to K and `true` as well.
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15 >       **get-second** was our function for extracting the second element of an ordered pair: `\fst snd. snd`. Compare this to our definition of `false`.
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17 >       **B** is defined to be: `\f g x. f (g x)`. (So `B f g` is the composition `\x. f (g x)` of `f` and `g`.)
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19 >   **C** is defined to be: `\f x y. f y x`. (So `C f` is a function like `f` except it expects its first two arguments in swapped order.)
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21 >   **W** is defined to be: `\f x . f x x`. (So `W f` accepts one argument and gives it to `f` twice. What is the meaning of `W multiply`?)
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23 >       **ω** (that is, lower-case omega) is defined to be: `\x. x x`
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25 It's possible to build a logical system equally powerful as the lambda calculus (and readily intertranslatable with it) using just combinators, considered as atomic operations. Such a language doesn't have any variables in it: not just no free variables, but no variables at all.
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27 One can do that with a very spare set of basic combinators. These days the standard base is just three combinators: K and I from above, and also one more, **S**, which behaves the same as the lambda expression  `\f g x. f x (g x)`. behaves. But it's possible to be even more minimalistic, and get by with only a single combinator. (And there are different single-combinator bases you can choose.)
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29 There are some well-known linguistic applications of Combinatory
30 Logic, due to Anna Szabolcsi, Mark Steedman, and Pauline Jacobson.
31 They claim that natural language semantics is a combinatory system: that every
32 natural language denotation is a combinator.
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34 For instance, Szabolcsi argues that reflexive pronouns are argument
35 duplicators.
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37 ![reflexive](http://lambda.jimpryor.net/szabolcsi-reflexive.jpg)
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39 Notice that the semantic value of *himself* is exactly `W`.
40 The reflexive pronoun in direct object position combines with the transitive verb.  The result is an intransitive verb phrase that takes a subject argument, duplicates that argument, and feeds the two copies to the transitive verb meaning.  
41
42 Note that `W <~~> S(CI)`:
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44 <pre><code>S(CI) &equiv;
45 S((\fxy.fyx)(\x.x)) ~~>
46 S(\xy.(\x.x)yx) ~~>
47 S(\xy.yx) &equiv;
48 (\fgx.fx(gx))(\xy.yx) ~~>
49 \gx.(\xy.yx)x(gx) ~~>
50 \gx.(gx)x &equiv;
51 W</code></pre>
52
53 Ok, here comes a shift in thinking.  Instead of defining combinators as equivalent to certain lambda terms,
54 we can define combinators by what they do.  If we have the I combinator followed by any expression X, 
55 I will take that expression as its argument and return that same expression as the result.  In pictures,
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57     IX ~~> X
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59 Thinking of this as a reduction rule, we can perform the following computation
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61     II(IX) ~~> IIX ~~> IX ~~> X
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63 The reduction rule for K is also straightforward:
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65     KXY ~~> X
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67 That is, K throws away its second argument.  The reduction rule for S can be constructed by examining 
68 the defining lambda term:
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70 <pre><code>S &equiv; \fgx.fx(gx)</code></pre>
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72 S takes three arguments, duplicates the third argument, and feeds one copy to the first argument and the second copy to the second argument.  So:
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74     SFGX ~~> FX(GX)
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76 If the meaning of a function is nothing more than how it behaves with respect to its arguments, 
77 these reduction rules capture the behavior of the combinators S, K, and I completely.
78 We can use these rules to compute without resorting to beta reduction.  For instance, we can show how the I combinator is equivalent to a certain crafty combination of Ss and Ks:
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80     SKKX ~~> KX(KX) ~~> X
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82 So the combinator `SKK` is equivalent to the combinator I.
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84 Combinatory Logic is what you have when you choose a set of combinators and regulate their behavior with a set of reduction rules. As we said, the most common system uses S, K, and I as defined here.
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86 ###The equivalence of the untyped lambda calculus and combinatory logic###
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88 We've claimed that Combinatory Logic is equivalent to the lambda calculus.  If that's so, then S, K, and I must be enough to accomplish any computational task imaginable.  Actually, S and K must suffice, since we've just seen that we can simulate I using only S and K.  In order to get an intuition about what it takes to be Turing complete, imagine what a text editor does:
89 it transforms any arbitrary text into any other arbitrary text.  The way it does this is by deleting, copying, and reordering characters.  We've already seen that K deletes its second argument, so we have deletion covered.  S duplicates and reorders, so we have some reason to hope that S and K are enough to define arbitrary functions.  
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91 We've already established that the behavior of combinatory terms can be perfectly mimicked by lambda terms: just replace each combinator with its equivalent lambda term, i.e., replace I with `\x.x`, replace K with `\fxy.x`, and replace S with `\fgx.fx(gx)`.  How about the other direction?  Here is a method for converting an arbitrary lambda term into an equivalent Combinatory Logic term using only S, K, and I.  Besides the intrinsic beauty of this mapping, and the importance of what it says about the nature of binding and computation, it is possible to hear an echo of computing with continuations in this conversion strategy (though you wouldn't be able to hear these echos until we've covered a considerable portion of the rest of the course).
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93 Assume that for any lambda term T, [T] is the equivalent combinatory logic term.  The we can define the [.] mapping as follows:
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95      1. [a]               a
96      2. [(M N)]           ([M][N])
97      3. [\a.a]            I
98      4. [\a.M]            KM                 assumption: a does not occur free in M
99      5. [\a.(M N)]        S[\a.M][\a.N]
100      6. [\a\b.M]          [\a[\b.M]]
101
102 It's easy to understand these rules based on what S, K and I do.  The first rule says 
103 that variables are mapped to themselves.
104 The second rule says that the way to translate an application is to translate the 
105 first element and the second element separately.
106 The third rule should be obvious.
107 The fourth rule should also be fairly self-evident: since what a lambda term such as `\x.y` does it throw away its first argument and return `y`, that's exactly what the combinatory logic translation should do.  And indeed, `Ky` is a function that throws away its argument and returns `y`.
108 The fifth rule deals with an abstract whose body is an application: the S combinator takes its next argument (which will fill the role of the original variable a) and copies it, feeding one copy to the translation of \a.M, and the other copy to the translation of \a.N.  This ensures that any free occurrences of a inside M or N will end up taking on the appropriate value.  Finally, the last rule says that if the body of an abstract is itself an abstract, translate the inner abstract first, and then do the outermost.  (Since the translation of [\b.M] will not have any lambdas in it, we can be sure that we won't end up applying rule 6 again in an infinite loop.)
109
110 [Fussy notes: if the original lambda term has free variables in it, so will the combinatory logic translation.  Feel free to worry about this, though you should be confident that it makes sense.  You should also convince yourself that if the original lambda term contains no free variables---i.e., is a combinator---then the translation will consist only of S, K, and I (plus parentheses).  One other detail: this translation algorithm builds expressions that combine lambdas with combinators.  For instance, the translation of our boolean false `\x.\y.y` is `[\x[\y.y]] = [\x.I] = KI`.  In the intermediate stage, we have `\x.I`, which mixes combinators in the body of a lambda abstract.  It's possible to avoid this if you want to,  but it takes some careful thought.  See, e.g., Barendregt 1984, page 156.]  
111
112 [Various, slightly differing translation schemes from combinatorial logic to the lambda calculus are also possible. These generate different metatheoretical correspondences between the two calculii. Consult Hindley and Seldin for details. Also, note that the combinatorial proof theory needs to be strengthened with axioms beyond anything we've here described in order to make [M] convertible with [N] whenever the original lambda-terms M and N are convertible.]
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115 Let's check that the translation of the false boolean behaves as expected by feeding it two arbitrary arguments:
116
117     KIXY ~~> IY ~~> Y
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119 Throws away the first argument, returns the second argument---yep, it works.
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121 Here's a more elaborate example of the translation.  The goal is to establish that combinators can reverse order, so we use the **T** combinator, where  <code>T &equiv; \x\y.yx</code>:
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123     [\x\y.yx] = [\x[\y.yx]] = [\x.S[\y.y][\y.x]] = [\x.(SI)(Kx)] = S[\x.SI][\x.Kx] = S(K(SI))(S[\x.K][\x.x]) = S(K(SI))(S(KK)I)
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125 We can test this translation by seeing if it behaves like the original lambda term does.
126 The orginal lambda term lifts its first argument (think of it as reversing the order of its two arguments):
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128         S(K(SI))(S(KK)I) X Y ~~>
129         (K(SI))X ((S(KK)I) X) Y ~~>
130         SI ((KK)X (IX)) Y ~~>
131         SI (KX) Y ~~>
132         IY (KXY) ~~>
133         Y X
134
135 Voil&agrave;: the combinator takes any X and Y as arguments, and returns Y applied to X.
136
137 One very nice property of combinatory logic is that there is no need to worry about alphabetic variance, or
138 variable collision---since there are no (bound) variables, there is no possibility of accidental variable capture, 
139 and so reduction can be performed without any fear of variable collision.  We haven't mentioned the intricacies of
140 alpha equivalence or safe variable substitution, but they are in fact quite intricate.  (The best way to gain 
141 an appreciation of that intricacy is to write a program that performs lambda reduction.)
142
143 Back to linguistic applications: one consequence of the equivalence between the lambda calculus and combinatory 
144 logic is that anything that can be done by binding variables can just as well be done with combinators.
145 This has given rise to a style of semantic analysis called Variable Free Semantics (in addition to 
146 Szabolcsi's papers, see, for instance,
147 Pauline Jacobson's 1999 *Linguistics and Philosophy* paper, "Towards a variable-free Semantics").  
148 Somewhat ironically, reading strings of combinators is so difficult that most practitioners of variable-free semantics 
149 express their meanings using the lambda-calculus rather than combinatory logic; perhaps they should call their
150 enterprise Free Variable Free Semantics.
151
152 A philosophical connection: Quine went through a phase in which he developed a variable free logic.
153
154   Quine, Willard. 1960. "Variables explained away" <cite>Proceedings of the American Philosophical Society</cite>.  Volume 104: 343--347.  Also in W. V. Quine.  1960. <cite>Selected Logical Papers</cite>.  Random House: New
155   York.  227--235.
156
157 The reason this was important to Quine is similar to the worries that Jim was talking about
158 in the first class in which using non-referring expressions such as Santa Claus might commit 
159 one to believing in non-existant things.  Quine's slogan was that "to be is to be the value of a variable."
160 What this was supposed to mean is that if and only if an object could serve as the value of some variable, we 
161 are committed to recognizing the existence of that object in our ontology.
162 Obviously, if there ARE no variables, this slogan has to be rethought.
163
164 Quine did not appear to appreciate that Shoenfinkel had already invented combinatory logic, though
165 he later wrote an introduction to Shoenfinkel's key paper reprinted in Jean
166 van Heijenoort (ed) 1967 <cite>From Frege to Goedel, a source book in mathematical logic, 1879--1931</cite>.
167
168 Cresswell has also developed a variable-free approach of some philosophical and linguistic interest
169 in two books in the 1990's.
170
171 A final linguistic application: Steedman's Combinatory Categorial Grammar, where the "Combinatory" is 
172 from combinatory logic (see especially his 2000 book, <cite>The Syntactic Processs</cite>).  Steedman attempts to build
173 a syntax/semantics interface using a small number of combinators, including T &equiv; `\xy.yx`, B &equiv; `\fxy.f(xy)`,
174 and our friend S.  Steedman used Smullyan's fanciful bird 
175 names for the combinators, Thrush, Bluebird, and Starling.
176
177 Many of these combinatory logics, in particular, the SKI system, 
178 are Turing complete. In other words: every computation we know how to describe can be represented in a logical system consisting of only a single primitive operation!
179
180 Here's more to read about combinatorial logic.
181 Surely the most entertaining exposition is Smullyan's [[!wikipedia To_Mock_a_Mockingbird]].
182 Other sources include
183
184 *       [[!wikipedia Combinatory logic]] at Wikipedia
185 *       [Combinatory logic](http://plato.stanford.edu/entries/logic-combinatory/) at the Stanford Encyclopedia of Philosophy
186 *       [[!wikipedia SKI combinatory calculus]]
187 *       [[!wikipedia B,C,K,W system]]
188 *       [Chris Barker's Iota and Jot](http://semarch.linguistics.fas.nyu.edu/barker/Iota/)
189 *       Jeroen Fokker, "The Systematic Construction of a One-combinator Basis for Lambda-Terms" <cite>Formal Aspects of Computing</cite> 4 (1992), pp. 776-780.
190 <http://people.cs.uu.nl/jeroen/article/combinat/combinat.ps>